1、第 38 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.38 No.21 76 2022 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.2022 沙柳沙障腐烂过程对土壤碳氮磷化学计量特征的影响 梁钰镁1，高 永1,2，蒙仲举1,2，韩彦隆1,2，王瑞东1，段晓婷1（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010010；2.荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室，呼和浩特 010010）摘 要：探究沙柳沙障腐烂过程对土壤碳氮磷化学计量特征的影响，有助于深入了解荒漠生态系统土壤养分循环
2、及土壤有效性。该研究以布设 1、3、5、7、9 a 的沙柳沙障为研究对象，通过原位取样与指标测定，探究影响土壤碳氮磷含量及其化学计量特征的主要环境因子。结果表明：沙柳沙障腐烂过程障体化学组分显著降低（P0.05），土壤含水率和碱解氮（Available Nitrogen，AN）得到改善，-1,4-葡萄糖苷酶（-1,4-glucosidase，BG）和-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（-1,4-N-acetylglucosidase，NAG）活性于 5 a 时达到峰值；碳磷比和氮磷比在设障之后的 5 a 中显著增加，5 a 时分别是1 a 的 1.83 和 1.76 倍，而 9 a 的碳氮比较
3、1 a 显著增加了 41.20%（P0.05）；碳磷比和氮磷比与可溶性有机碳、碱解氮、全氮和 BG 呈显著正相关，但碳氮比与 NAG、纤维素和木质素呈显著负相关，其仅与质量损失率呈显著正相关（P0.05）；冗余分析研究结果进一步证实，纤维素和质量损失是影响土壤碳氮磷含量及其化学计量的主导因子。沙柳沙障的腐烂过程能够提高土壤碳氮磷含量，在辅助于沙漠地区植被恢复的过程中可作为长期有效的治理措施。关键词：沙障；土壤；碳；氮；磷；化学计量特征；防风固沙 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.010 中图分类号：S793.9 文献标志码：A 文章编号：1002-68
4、19(2022)-21-0076-07 梁钰镁，高永，蒙仲举，等.沙柳沙障腐烂过程对土壤碳氮磷化学计量特征的影响J.农业工程学报，2022，38(21)：76-82.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.010 http:/www.tcsae.org Liang Yumei,Gao Yong,Meng Zhongju,et al.Effects of Salix psammophila sand barriers decay on soil carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometryJ.Transactions
5、 of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2022,38(21):76-82.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.010 http:/www.tcsae.org 0 引 言 碳、氮和磷是生态系统中 3 种重要的营养元素，对植物生长和功能发育具有至关重要的作用1，其元素化学计量比反映了陆地生态系统中碳氮磷和其他元素循环的耦合关系。研究表明，土壤养分及其生态化学计量往往受到植被覆
6、盖类型2、土壤类型及其基质的影响而发生变化3-4。植物残体及凋落物的腐解作用对土壤 C、N 和 P的含量有直接影响，同时，凋落物与土壤 C、N、P 的化学计量比之间也存在强烈的联系5。因此，明确有机体在腐烂分解过程中土壤元素化学计量特征的变化，对研究生物地球元素化学循环极为重要。沙柳沙障是中国干旱半干旱区在流沙治理中广为采用的生物工程措施，其将平茬的沙柳枝条作为沙障原材料，可以就地取材、施工便捷6。推广多年以来，沙柳沙障防风固沙效果显著，能够有效拦截过境风沙流、增加地表粗糙度、降低风速7-8。然而，沙障在风沙防护过程中易受到沙埋现象9，障体沙埋段由于长期处于沙埋环境，不规律地受到水分吸解而发生
7、湿胀和干缩现象，同 收稿日期：2022-08-10 修订日期：2022-10-28 基金项目：内蒙古自治区科技计划项目（2022YFDZ0027）作者简介：梁钰镁，博士生，研究方向为荒漠化防治。Email： 通信作者：高永，博士，教授，博士生导师，研究方向为荒漠化防治。Email： 时受到微生物分解作用而发生腐烂，导致细胞壁结构破裂、功能受损10-11。之前的研究表明，沙柳沙障随腐烂程度的加剧真菌物种组成及多样性增加，且优势菌群受到多种腐化因子的综合影响11；还有研究表明，随时间的延长障体质量损失率增加、木质纤维素等化学成分降低12-13。近年来，研究者开始关注沙柳沙障腐烂过程对土壤、微生物生
8、物量及酶活性的影响，研究表明，土壤微生物量碳氮磷含量均于 7 a 时达到峰值，土壤碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性也呈现出规律性变化14；沙障的自然分解可以将机体内部的 C、P 和 K 等营养元素释放到土壤中13；障体的布设能够改变土壤粒径，增加有机碳含量15。因此，同时结合腐烂特性、土壤理化性质和胞外酶活性来探究沙柳沙障腐烂过程对土壤碳氮磷含量及其化学计量特征的影响，有助于深入了解荒漠生态系统土壤养分循环及土壤有效性。基于此，本研究以布设 1、3、5、7 和 9 a 的沙柳沙障为研究对象，通过野外原位取样和测定基本指标，结合障体腐烂特性、土壤养分含量和胞外酶活性的变化，分析沙柳沙障在腐烂分解过程
9、对土壤碳氮磷含量及化学计量特征的影响，揭示土壤碳氮磷化学计量与障体腐烂特性和土壤性质之间的关系，对理解沙柳沙障腐烂及荒漠生态系统的养分循环具有重要意义。1 材料与方法 1.1 研究区概况 研究区位于库布齐沙漠东南缘（403614N，第 21 期 梁钰镁等：沙柳沙障腐烂过程对土壤碳氮磷化学计量特征的影响 77 1084216E），地属内蒙古鄂尔多斯市独贵塔拉镇。该地区为温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥，年平均降水量 258.3 mm，年均潜在蒸发量2 400 mm，年均日照时数为 3 193 h，年均气温 6.1，极端低温30.5，极端高温 38.1，无霜期 135 d，平均风速
10、4.4 m/s，年风沙活动天数为 4575 d，主要集中在 35 月，盛行西北风和西风。地貌类型为流动沙丘、半流动沙丘及固定沙丘，沙丘高度为 1060 m，较为平缓的沙地占 10%，半固定沙地占 30%，其余为流动性沙地16。土壤类型为风沙土，地表疏松养分贫瘠。植被类型主要包括：沙柳（Salix psammophila）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、虫实（Corispermum hyssopifolium）等。1.2 试验设计与样品采集 所有的试验样地范围内均为当地的林业部门布设于穿沙公路两侧的沙柳沙障，地势相对平坦，
11、样地间直线距离1.5 km，受到相似气象条件（大风、日照辐射、降水等）的影响。与当地林业部门了解详细情况后，获悉了准确的布设年限。试验样品采集于 2021 年 7 月，分别选择了布设时间为 1、3、5、7 和 9 a、规格为 1 m 1 m的沙柳沙障样地作为研究对象。在此期间未受到人工干预，试验前期进行了野外实地勘查与样品指标预测定分析，基本信息如表 1 所示。每一年限的邻近 4 块沙障样地为 4 个生物学重复，每块样地中部以“S”形线上选取间隔大于 3 m 的 4 个障格，每个障格每条边的中间位置采集 1 根，剪取底部 7 cm的枝条作为试验样本，直径为（1.8 0.02）cm、埋深约为 2
12、0 cm。此外，同时收集障体周围的土壤样品，每块样地的每个障格 4 处取样位置的样品均匀混合为一个试样（图 1）。具体操作如下：将沙柳沙障取出后，使用刷子将障体表面土壤清刷并收集，然后使用小铲取包裹于四周的厚度为 1 cm 的土壤，分别装入塑封袋中编号并标记，置于 4 保温冷藏箱中运回。将沙障底部 7 cm 的枝条用于纤维素（Cellulose，Cel）、木质素（Lignin，Lig）和质量损失率（Mass Loss Rate，ML）的测定；土壤样品去除杂质后，使用 2 mm 土筛过筛处理后等分为两份，一份为新鲜样品，用于土壤胞外酶（-1,4-葡萄糖苷酶、-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨
13、酸氨肽酶）活性的测定；另一份自然阴干后，测定土壤基本性质。表 1 沙柳沙障样地基本信息 Table 1 Basic information of Salix psammophila sand barrier study sites 布设年限 Setting years/a 海拔 Altitude/m 布设面积 Layout area/m2 沙障规格 Specification of sand barriers/(mm)沙障孔隙度 Sand barrier porosity/%土壤容重Soil bulk density/(gcm-3)1 1 040.5 1 015 11 52 1.50 3 1
14、041.2 1 178 11 50 1.52 5 1 039.8 1 890 11 49 1.50 7 1 043.1 1 394 11 50 1.49 9 1 040.0 1 080 11 51 1.51 图 1 样地及采样示意图 Fig.1 Sample site and sampling diagram 1.3 土壤性质及胞外酶活性测定 土壤 pH 值采用电位法测定，土壤含水率（Moisture Content，MC）采用烘干法测定，碱解氮（Available Nitrogen，AN）和速效磷（Available Phosphorus，AP）分别采用解碱扩散法和 0.5 mol/L Na
15、HCO3法测定，土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）采用重铬酸钾氧化法测定，全磷（Total Phosphorus，TP）和全氮（Total Nitrogen，TN）分别采用钼锑抗比色法和凯氏定氮法测定17。可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）采用总有机碳分析仪（Phoenix 8000，美国）测定18。使用 p-硝基苯酚法测定-1,4-葡萄糖苷酶（-1,4-glucosidase，BG）、-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（-1,4-N-acetylglucosidase，NAG）和亮氨酸氨肽酶（Leucine Aminopeptid
16、ase，LAP），以每克土壤每分钟生成1 nmol 对硝基苯胺为一个酶活力单位来定义19。1.4 沙柳沙障腐烂特性指标测定 沙柳沙障的质量损失率（Mass Loss Rate，ML）采用未经腐烂的障体与腐烂状态下障体的绝干质量差的百分比来反映。使用 ANKOM 200i 半自动纤维分析仪，采用van 等20的滤袋技术测定酸性洗涤纤维（Acid Detergent Fiber，ADF，%）和酸性洗涤木质素（Acid Detergent Lignin，ADL，%）的方法，分别计算沙柳沙障纤维素和木质素的含量，计算式如下：211ADF()100%/mmCm=-（1）21143ADL()()100%/mmCmmm=-（2）纤维素=（ADF经质量分数 72%硫酸处理后的残渣）100%（3）式中 m1为空袋质量，g；m 为样品质量，g；m2为提取处理后样品残渣+滤袋质量，g；m3为坩埚质量，g；m4为坩埚+灰分质量，g；C1为空白袋子校正系数（烘干后质量/原来质量）。1.5 数据分析 采用 SPSS 26.0 软件对沙柳沙障腐烂特性、土壤基本农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2
